樁基設(shè)計(jì)可視化及其數(shù)據(jù)庫拓展研究探討★

鄒圣鋒 石朗晶 黎桉君 張貴川

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土建類大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，重慶 400716)

樁基設(shè)計(jì)可視化及其數(shù)據(jù)庫拓展研究探討★

鄒圣鋒 石朗晶 黎桉君 張貴川

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院土建類大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心，重慶 400716)

針對目前工程中樁基承載力設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合工程所得數(shù)據(jù)建立樁基承載力數(shù)據(jù)庫，對五種基于CPT的樁基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較，并將結(jié)果利用計(jì)算機(jī)編程，以程序軟件的形式實(shí)現(xiàn)樁基設(shè)計(jì)方法的可視化，從而為樁基承載力設(shè)計(jì)方法的實(shí)際選用提供參考。

CPT，承載力，樁基設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫

0 引言

樁基礎(chǔ)作為一種重要的基礎(chǔ)形式，在高層建筑、橋梁、港口、近海結(jié)構(gòu)以及大型發(fā)電廠構(gòu)筑物等工程中得到了廣泛應(yīng)用［1］，因此單樁基礎(chǔ)的承載力計(jì)算對于工程設(shè)計(jì)及工程安全顯得尤為重要。以靜力觸探試驗(yàn)CPT(全稱Cone Penetration Test)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法已被應(yīng)用于硅質(zhì)砂地基中打入樁(或靜壓樁)的軸向承載力計(jì)算，但卻沒有一個(gè)確定的指導(dǎo)方法可用于幫助工程設(shè)計(jì)者選擇合適的打入樁軸力計(jì)算方法［2］。

針對目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，現(xiàn)擬通過收集實(shí)際工程中的樁基承載力數(shù)據(jù)建立一個(gè)較為龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)［2］，并通過利用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程建立一個(gè)可視化的程序軟件，從而實(shí)現(xiàn)各種工程地質(zhì)及樁身?xiàng)l件下樁基承載力設(shè)計(jì)方法的可視化選擇。

1 工程中樁基承載力設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問題

1．1 樁基承載力設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

自1932年靜力觸探試驗(yàn)問世以來，經(jīng)過廣大辛勤工作者70余年的不懈努力，國內(nèi)外對靜力觸探的操作及其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，并制定了有關(guān)規(guī)范。國外從20世紀(jì)40年代CPT的出現(xiàn)開始到現(xiàn)在一直沒有放棄對CPT的改進(jìn)工作［3］。介于CPT技術(shù)的不斷發(fā)展，國外已經(jīng)涌現(xiàn)出了較多的CPT方法用于樁基承載力的計(jì)算方法。而目前國內(nèi)利用靜力觸探數(shù)據(jù)計(jì)算樁基承載力的方法可大致分為兩類：直接法和理論法［4］。理論法是利用極限承載力理論、孔穴擴(kuò)張理論、應(yīng)變路徑法等［5］。根據(jù)測試數(shù)據(jù)來間接估計(jì)土性參數(shù)(內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度等)從而計(jì)算出樁基承載力。這種方法根據(jù)不同的理論解釋，造成計(jì)算結(jié)果有較大差異，帶有一定的不確定性。而直接法則是通過現(xiàn)場所測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用所收集來的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于樁基承載力的分析，由于是直接利用所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，故而相對于間接法而言直接法具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢。當(dāng)前國內(nèi)外采用的直接法，主要包括：1)JGJ 94-94建筑樁基技術(shù)規(guī)范法;2)ICP-05法(帝國理工法);3)UWA-05法(西澳大利亞法);4)NGI-04法(挪威巖土工程學(xué)會(huì)法);5)Fugro-04法(Fugro石油學(xué)會(huì)法);6)API-00法(美國石油學(xué)會(huì)法)［6］。

1．2 樁基設(shè)計(jì)存在的問題

縱觀國內(nèi)外工程中樁基承載力設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，目前仍存在如下問題：

1)樁基承載力影響因素眾多，各地試驗(yàn)數(shù)據(jù)大相徑庭。靜力觸探由于其自身試驗(yàn)的特殊性，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果影響因素眾多。包括試驗(yàn)樁樁身?xiàng)l件及工程地質(zhì)條件等。就樁身?xiàng)l件而言，樁長、樁徑、側(cè)壁摩擦系數(shù)、樁身材料等都是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素;而就工程地質(zhì)條件而言，不同的地質(zhì)條件：地基土質(zhì)種類(例如砂土、粘性土等)、土壤密度、內(nèi)摩擦角，以及氣候因素下的空隙水壓等因素都會(huì)造成靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果的不同，即使是同一位置條件、同一時(shí)刻進(jìn)行的試驗(yàn)都很可能會(huì)出現(xiàn)截然不同的試驗(yàn)結(jié)果。因此不同地區(qū)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往會(huì)出現(xiàn)較大的試驗(yàn)差現(xiàn)象。2)基于CPT的樁基設(shè)計(jì)方法較多，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。得益于70多年以來廣大巖土工程師們的投入研究，如今國內(nèi)外已經(jīng)有很多種基于CPT技術(shù)的樁基承載力設(shè)計(jì)方法，并已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，而不同種設(shè)計(jì)方法往往也存在很多的不同。例如鈣質(zhì)土樁基場址勘察方法很多，而且各家測試結(jié)果也不盡相同。研究成果都是地區(qū)性的和經(jīng)驗(yàn)性的，并不能照搬［7］，以致于在實(shí)際工程中會(huì)出現(xiàn)同一工程中采用不同的設(shè)計(jì)方法時(shí)其結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。

正是由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)師們在設(shè)計(jì)過程中就選擇何種設(shè)計(jì)方法提供指導(dǎo)，直接導(dǎo)致了長期以來，工程師們在從事樁基設(shè)計(jì)過程中的苦惱，使得他們不得不提高設(shè)計(jì)時(shí)的安全系數(shù)，從而保證工程質(zhì)量。而這一現(xiàn)象則必然導(dǎo)致工程施工中的人力物力的浪費(fèi)，對于工程的經(jīng)濟(jì)性造成不利。

2 樁基設(shè)計(jì)可視化及其數(shù)據(jù)庫拓展研究

2．1 樁基設(shè)計(jì)可視化擬實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，就目前的工程應(yīng)用情況，要實(shí)現(xiàn)樁基設(shè)計(jì)的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性，就需要有一個(gè)良好的指導(dǎo)規(guī)范可供設(shè)計(jì)者參考，從而在樁基設(shè)計(jì)中，選擇結(jié)合工程實(shí)際較為合理的設(shè)計(jì)方法，避免不必要的浪費(fèi)。只有設(shè)計(jì)方法操作簡便、安全合理且經(jīng)濟(jì)高效才能真正將理論技術(shù)進(jìn)步轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，從而廣泛地投入到工程應(yīng)用。

2．2 樁基數(shù)據(jù)庫拓展擬實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

正如前面所討論過，國內(nèi)外不同地質(zhì)條件下已經(jīng)做過諸多的試驗(yàn)和工程應(yīng)用，針對不同的應(yīng)用條件有了很多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供我們收集整理并分析，且隨著科技的發(fā)展，更多的工程將投入運(yùn)營，這無疑又為我們提供了新的研究素材。通過收集分析已有的做過CPT的樁基實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同的設(shè)計(jì)條件和設(shè)計(jì)方法建立一個(gè)較為龐大的數(shù)據(jù)庫，從而消除以往憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)所帶來的不足，提高數(shù)據(jù)的代表性和準(zhǔn)確性。

然而科技的進(jìn)步一方面為我們提供新的研究素材時(shí)，另一方面也會(huì)給我們造成新的難關(guān)，例如上海浦東金茂大廈樁基礎(chǔ)的樁入土深度超過80 m［8］。因此我們需要進(jìn)一步拓展所建立的數(shù)據(jù)庫，為更多新問題的出現(xiàn)做好準(zhǔn)備。

2．3 樁基設(shè)計(jì)可視化研究

以當(dāng)前廣泛采用的五種基于CPT的樁基設(shè)計(jì)方法，即API-00法、ICP-05法、NGI-04法、Fugro-04法、UWA-05法等五種方法，結(jié)合已收集到的做過CPT的樁基承載力數(shù)據(jù)，比較五種方法下設(shè)計(jì)結(jié)果的差異，與工程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，權(quán)衡不同設(shè)計(jì)方法在不同設(shè)計(jì)條件下的樁基設(shè)計(jì)可靠度。利用計(jì)算機(jī)語言編程將所得結(jié)果匯編成為一個(gè)可視化的程序軟件，從而實(shí)現(xiàn)如同WINDOWS系統(tǒng)般可以進(jìn)行可視化操作的目標(biāo)，便捷地進(jìn)行設(shè)計(jì)方法的選擇。

2．4 樁基數(shù)據(jù)庫拓展研究

當(dāng)有足夠多樁基承載力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，相應(yīng)的安全系數(shù)就越小，樁基設(shè)計(jì)方法和承載力確定方法的精確性越高［9］。當(dāng)前在業(yè)界已經(jīng)有了樁基承載力的CPT數(shù)據(jù)庫，然而由于收集過程的局限性。加之試驗(yàn)成本較高，可進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)量有限，導(dǎo)致了目前整理出的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相對較小，在預(yù)測樁基承載力時(shí)可靠度并不是很高。因此基于預(yù)測可靠度來講，目前的數(shù)據(jù)庫亟待拓展。

此外，伴隨著土木行業(yè)的大跨步發(fā)展，更多高層建筑和海洋工程的發(fā)展不斷給設(shè)計(jì)師們提出難題，新的工程性質(zhì)和工程地質(zhì)條件必然要求有新的途徑解決，而擴(kuò)展樁基數(shù)據(jù)庫就成了解決它必不可少的手段之一。從解決不可預(yù)知問題的角度出發(fā)，當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的拓展成為了一項(xiàng)與時(shí)俱進(jìn)、不可懈怠的工作。

3 結(jié)語

本文針對目前工程中樁基承載力設(shè)計(jì)存在的問題(缺乏設(shè)計(jì)選擇方法、數(shù)據(jù)庫預(yù)測可靠度低等)，以CPT技術(shù)為基礎(chǔ)，對五種樁基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比，比較不同數(shù)據(jù)庫的樁基承載力預(yù)測可靠度。通過收集整理已有的樁基承載力數(shù)據(jù)建立較大的樁基CPT數(shù)據(jù)庫，通過大量的工程數(shù)據(jù)離散性分析，根據(jù)樁基承載力數(shù)據(jù)分布規(guī)律，得出不同工程環(huán)境條件所適宜的設(shè)計(jì)方法。并將結(jié)果利用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，以程序軟件的形式實(shí)現(xiàn)樁基設(shè)計(jì)方法的便捷可視化選擇。并不斷擴(kuò)充已有的數(shù)據(jù)庫，保持?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，為解決更多更新的工程問題提供保障。

［1］王遇國，梅志榮，張季超．單樁承載性狀試驗(yàn)研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(1)：7-11．

［2］James A，Schneider，Xiangtao Xu，Barry M．Lehane．Database Assessment of CPT-Based Design Methods for Axial Capacity of Driven Piles in Siliceous Sands［J］．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental，2008，134(9)：1227-1244．

［3］曾國清．CPT技術(shù)在環(huán)境巖土工程中的應(yīng)用分析［J］．廣東科技，2006(153)：89-90．

［4］郭進(jìn)軍．靜力觸探在樁基承載力計(jì)算應(yīng)用中目前存在的問題［J］．河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，34(3)：67-70．

［5］孟高頭．土體原位測試機(jī)理方法及其工程應(yīng)用［M］．北京：地質(zhì)出版社，1997．

［6］Lehane B M，Schneider J A，Xu X．The UWA-05 method for prediction of axial capacity of driven piles in sand［J］．Proc．，Int．Symp．Frontiers Offshore Geomech．ISFOG，2005．Perth，683-689．

［7］單華剛，汪 稔．鈣質(zhì)砂中的樁基工程研究進(jìn)展述評(píng)［J］．巖土力學(xué)，2000，21(3)：299-308．

［8］陽吉寶，鐘正雄．超長樁的荷載傳遞機(jī)理［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，20(6)：108-112．

［9］李典慶．打入樁承載力確定方法對安全系數(shù)的影響［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2006(27)：1733-1738．

Exploration on pile foundation design visualization and database expanding research★

ZOU Sheng-feng SHI Lang-jing LI An-jun ZHANG Gui-chuan

(Innovative Experiment Center for Undergraduates of Civil Engineering，College of Engineering and Technology，Southwest University，Chongqing 400716，China)

The paper analyzes current pile foundation capacity design problems．Combining with the engineering database，it establishes pile foundation bearing capacity database，compares five pile foundation design methods based on CPT，and shows the pile foundation design method with program software by applying computer programming method，which has provided some guidance for actual selection of pile foundation bearing capacity design method．

CPT，bearing capacity，pile foundation design，database

TU473．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.123

1009-6825(2013)10-0055-03

2013-01-29 ★：西南大學(xué)本科生創(chuàng)新基金(項(xiàng)目編號(hào)：1215006);國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練資助(項(xiàng)目編號(hào)：20120635113)

鄒圣鋒(1991-)，男，在讀本科生; 石朗晶(1991-)，男，在讀本科生; 黎桉君(1992-)，男，在讀本科生;

張貴川(1992-)，男，在讀本科生